java之JUC

迷南。 2022-04-18 02:12 204阅读 0赞

### 1. JUC 简介 ###

*  在 Java 5.0 提供了 `java.util.concurrent`(简称JUC)包,在此包中增加了在并发编程中很常用的工具类,  
    用于定义类似于线程的自定义子系统,包括线程池,异步 IO 和轻量级任务框架;还提供了设计用于多线程上下文中  
    的 Collection 实现等;

### 2. volatile 关键字 ###

*  volatile 关键字: 当多个线程进行操作共享数据时,可以保证内存中的数据是可见的;相较于 synchronized 是一种  
    较为轻量级的同步策略;
 *  volatile 不具备"互斥性";
 *  volatile 不能保证变量的"原子性";

// 使用 volatile 之前
    public class TestVolatile{
    
        public static void main(String[] args){
            ThreadDemo td = new ThreadDemo();
            new Thread(td).start();
    
            while(true){
                if(td.isFlag()){
                    System.out.println("########");
                    break;
                }
            }
        }
    }
    
    class ThreadDemo implements Runnable{
        private boolean flag = false;
    
        public void run(){
            try{
                // 该线程 sleep(200), 导致了程序无法执行成功
                Thread.sleep(200);
            }catch(InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
    
            flag = true;
    
            Sytem.out.println("flag="+isFlag());
        }
    
        public boolean isFlag(){
            return flag;
        }
    
        public void setFlag(boolean flag){
            this.flag = flag;
        }
    }

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// 解决问题方式一: 同步锁
    //   但是,效率太低
    public class TestVolatile{
    
        public static void main(String[] args){
            ThreadDemo td = new ThreadDemo();
            new Thread(td).start();
    
    
            while(true){
                // 使用同步锁
                synchronized(td){
                    if(td.isFlag()){
                        System.out.println("########");
                        break;
                    }
                }
            }
        }
    }
    
    // 解决方式二: 使用 volatile 关键字
    public class TestVolatile{
    
        public static void main(String[] args){
            ThreadDemo td = new ThreadDemo();
            new Thread(td).start();
    
            while(true){
                if(td.isFlag()){
                    System.out.println("########");
                    break;
                }
            }
        }
    }
    
    class ThreadDemo implements Runnable{
        private volatile boolean flag = false;
    
        同上(略)
    }

### 3. `i++` 的原子性问题 ###

1.  `i++`的操作实际上分为三个步骤: "读-改-写";
2.  原子性: 就是"i++"的"读-改-写"是不可分割的三个步骤;
3.  原子变量: JDK1.5 以后, `java.util.concurrent.atomic`包下,提供了常用的原子变量;
    
     *  原子变量中的值,使用 `volatile` 修饰,保证了内存可见性;
     *  CAS(Compare-And-Swap) 算法保证数据的原子性;

int i = 10;
    i = i++;  // 此时, i=10
    
    执行步骤:
    int temp = i;
    i = i + 1;
    i = temp;
    
    
    // 测试类
    public class TestAtomicDemo{
        public static void main(String[] args){
    
            AtomicDemo ad = new AtomicDemo();
    
            for(int i=0; i < 10; i++){
                new Thread(ad).start();
            }
        }
    }
    
    class AtomicDemo implements Runnable{
        private int serialNumber = 0;
    
        public void run(){
    
            try{
                Thread.sleep(200);
            }catch(InterruptedException e){
    
            }
    
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + getSerialNumber());
        }
    
        public int getSerialNumber(){
            return serialNumber++;
        }
    }

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// 改进: 使用原子变量
    class AtomicDemo implements Runnable{
    
        private AtomicInteger serialNumber = new AtomicInteger();
    
        public void run(){
            try{
                Thread.sleep(200);
            }catch(InterruptedException e){
    
            }
    
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+getSerialNumber());
        }
    
        public int getSerialNumber(){
            // 自增运算
            return serialNumber.getAndIncrement();
        }
    }

3.1 CAS 算法

*  CAS(Compare-And-Swap) 算法是硬件对于并发的支持,针对多处理器操作而设计的处理器中的一种特殊指令,用于  
    管理对共享数据的并发访问;
 *  CAS 是一种无锁的非阻塞算法的实现;
 *  CAS 包含了三个操作数:
    
     *  需要读写的内存值: V
     *  进行比较的预估值: A
     *  拟写入的更新值: B
     *  当且仅当 V == A 时, V = B, 否则,将不做任何操作;

// 模拟CAS 算法
    class CompareAndSwap{
        private int value;
    
        // 获取内存值
        public synchronized int get(){
            return value;
        }
    
        // 无论更新成功与否,都返回修改之前的内存值
        public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue){
            // 获取旧值
            int oldValue = value;
    
            if(oldValue == expectedValue){
                this.value = newValue;
            }
    
            // 返回修改之前的值
            return oldValue;
        }
    
        // 判断是否设置成功
        public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue){
            return expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue);
        }
    }
    
    public class TestCompareAndSwap{
        public static void main(String[] args){
            final CopareAndSwap cas = new CompareAndSwap();
    
            for(int i=0; i<10; i++){
                // 创建10个线程,模拟多线程环境
                new Thead(new Runnable(){
                    public void run(){
                        int expectedValue = cas.get();
    
                        boolean b = cas.compareAndSet(expectedValue, (int)(Math.random()*100));
                        System.out.println(b);
                    }
                }).start();
            }
        }
    }

### 4. 并发容器类 ###

*  Java 5.0 在 `java.util.concurrent` 包中提供了多种并发容器类来改进同步容器的性能;

4.1 ConcurrentHashMap

*  ConcurrentHashMap 同步容器类是 Java5 增加的一个线程安全的哈希表;介于 HashMap 与 Hashtable 之间;  
    内部采用"锁分段"机制替代Hashtable的独占锁,进而提高性能;
 *  此包还提供了设计用于多线程上下文中的`Collection`实现: `ConcurrentHashMap`,`ConcurrentSkipListMap`  
    `ConcurrentSkipListSet`, `CopyOnWriteArrayList` 和 `CopyOnWriteArraySet`;
    
     *  当期望许多线程访问一个给定collection时,`ConcurrentHashMap`通常优于同步的`HashMap`;  
        `ConcurrentSkipListMap`通常优于同步的`TreeMap`;
     *  当期望的读数和遍历远远大于列表的更新数时, `CopyOnWriteArrayList`优于同步的`ArrayList`;

4.2 CountDownLatch(闭锁)

*  `CountDownLatch`是一个同步辅助类,在完成一组正在其他线程中执行的操作之前,它允许一个或多个线程一直等待;

// 测试类: 计算多线程的执行时间
    public class TestCountDownLatch{
        public static void main(String[] args){
            final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
            LatchDemo ld = new LatchDemo(latch);
    
            long start = System.currentTimeMillis();
    
            // 创建10个线程
            for(int i=0; i<10; i++){
                new Thread(ld).start();
            }
    
            try{
                latch.await();
            }catch(InterruptedException e){
    
            }
    
            long end = System.currentTimeMillis();
    
            System.out.println("耗费时间为:"+(end - start));
    
        }
    }
    
    class LatchDemo implements Runnable{
        private CountDownLatch latch;
    
        // 有参构造器
        public LatchDemo(CountDownLatch latch){
            this.latch = latch;
        }
    
        public void run(){
    
            synchronized(this){
                try{
                    // 打印50000以内的偶数
                    for(int i=0; i<50000; i++){
                        if(i % 2 == 0){
                            System.out.println(i);
                        }
                    }
                }finally{
                    // 线程数量递减
                    latch.countDown();
                }
            }
        }
    }

### 5. 创建执行线程的方式三 ###

*  相较于实现 Runnable 接口的方式,实现 Callable 接口类中的方法可以有返回值,并且可以抛出异常;

// 测试类
    public class TestCallable{
        public static void main(String[] args){
    
            ThreadDemo td = new ThreadDemo();
    
            // 执行 Callable 方式,需要 FutureTask 实现类的支持
            // FutureTask 实现类用于接收运算结果, FutureTask 是 Future 接口的实现类
            FutureTask<Integer> result = new FutureTask<>(td);
    
            new Thread(result).start();
    
            // 接收线程运算后的结果
            try{
                // 只有当 Thread 线程执行完成后,才会打印结果;
                // 因此, FutureTask 也可用于闭锁
                Integer sum = result.get();
                System.out.println(sum);
            }catch(InterruptedException | ExecutionException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
    class ThreadDemo implements Callable<Integer>{
    
        // 需要实现的方法
        public Integer call() throws Exception{
            // 计算 0~100 的和
            int sum = 0;
    
            for(int i=0; i<=100; i++){
                sum += i;
            }
    
            return sum;
        }
    }

### 6. 同步锁(Lock) ###

*  参考 ["java 多线程间通信"][java]

// 测试类: 以卖票为例
    // 使用 lock 之前
    public class TestLock{
        public static void main(String[] args){
            Ticket ticket = new Ticket();
    
            new Thread(ticket,"1号窗口").start();
            new Thread(ticket,"2号窗口").start();
            new Thread(ticket,"3号窗口").start();
        }
    }
    
    class Ticket implements Runnable{
    
        private int tick = 100;
    
        public void run(){
            while(true){
                if(tick > 0){
                    try{
                        Thread.sleep(200);
                    }catch(InterruptedException e){
    
                    }
    
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"完成售票,余票为: "+ --tick);
                }
            }
        }
    }
    
    // 使用 Lock
    class Ticket implements Runnable{
    
        private int tick = 100;
    
        private Lock lock = new ReentrantLock();
    
        public void run(){
            while(true){
                // 上锁
                lock.lock();
    
                try{
                    if(tick > 0){
                        try{
                            Thread.sleep(200);
                        }catch(InterruptedException e){
    
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"完成售票,余票为: "+ --tick);
                    }
                }finally{
                    // 释放锁
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
    
    // 练习: 程序按序交替
    // 编写一个程序,开启3个线程,这三个线程的 ID 分别为 A, B, C, 每个线程将自己的 ID 在屏幕上打印10遍,
    // 要求输出的结果必须按顺序显示:
    // 如: ABCABCABC... 依次递归
    
    public class TestABCAlternate{
        public static void main(String[] args){
            AlternateDemo ad = new AlternateDemo();
    
            new Thread(new Runnable(){
                public void run(){
                    for(int i=1; i<20; i++){
                        ad.loopA(i);
                    }
                }
            },"A").start();
    
            new Thread(new Runnable(){
                public void run(){
                    for(int i=1; i<20; i++){
                        ad.loopB(i);
                    }
                }
            },"B").start();
    
            new Thread(new Runnable(){
                public void run(){
                    for(int i=1; i<20; i++){
                        ad.loopC(i);
    
                        System.out.println("--------------------");
                    }
                }
            },"C").start();
        }
    }
    
    class AlternateDemo{
    
        private int number = 1; // 当前正在执行线程的标记
    
        private Lock lock = new ReentrantLock();
        private Condition condition1 = lock.newCondition();
        private Condition condition2 = lock.newCondition();
        private Condition condition3 = lock.newCondition();
    
        // totalLoop 表示循环第几轮
        // 线程A
        public void loopA(int totalLoop){
            // 上锁
            lock.lock();
    
            try{
                // 1. 判断
                if(number != 1){
                    condition1.await();
                }
    
                // 2. 打印
                for(int i=1; i <= 5; i++){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+i+"\t"+totalLoop);
                }
    
                // 3. 唤醒线程B
                number = 2;
                condition2.signal();
    
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally{
                // 释放锁
                lock.unlock();
            }
        }
    
        // 线程B
        public void loopB(int totalLoop){
            // 上锁
            lock.lock();
    
            try{
                // 1. 判断
                if(number != 2){
                    condition2.await();
                }
    
                // 2. 打印
                for(int i=1; i <= 15; i++){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+i+"\t"+totalLoop);
                }
    
                // 3. 唤醒线程C
                number = 3;
                condition3.signal();
    
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally{
                // 释放锁
                lock.unlock();
            }
        }
    
        // 线程C
        public void loopC(int totalLoop){
            // 上锁
            lock.lock();
    
            try{
                // 1. 判断
                if(number != 3){
                    condition3.await();
                }
    
                // 2. 打印
                for(int i=1; i <= 20; i++){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+i+"\t"+totalLoop);
                }
    
                // 3. 唤醒线程A
                number = 1;
                condition1.signal();
    
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally{
                // 释放锁
                lock.unlock();
            }
        }
    }

### 7. ReadWriteLock(读写锁) ###

// 测试类
    public class TestReadWriteLock{
    
        public static void main(String[] args){
            ReadWriteLockDemo rw = new ReadWriteLockDemo();
    
            // 一个线程进行写
            new Thread(new Runnable(){
                public void run(){
                    rw.set((int)(Math.random()*100));
                }
            },"Write:").start();
    
            // 100个线程进行读操作
            for(int i=0; i<100; i++){
                new Thread(new Runnable(){
                    public void run(){
                        rw.get();
                    }
                },"Read:").start();
            }
        }
    
    }
    
    class ReadWriteLockDemo{
        private int number = 0;
    
        private ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    
    
    
        // 读
        public void get(){
            lock.readLock().lock(); // 上锁
    
            try{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+number);
            }finally{
                lock.readLock().unlock(); // 释放锁
            }
        }
    
        // 写
        public void set(int number){
    
            lock.writeLock().lock();
    
            try{    
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    
                this.number = number;
            }finally{
                lock.writeLock().unlock();
            }
        }
    }

### 8. 线程八锁 ###

// 测试类
    public class Test{
        public static void main(String[] args){
            Demo demo = new Demo();
    
            Demo demo2 = new Demo();
    
            new Thread(new Runnable(){
                public void run(){
                    demo.getOne();
                }
            }).start();
    
            new Thread(new Runnable(){
                public void run(){
    
                    // demo2.getTwo();
                    demo.getTwo();
                }
            }).start();
        }
    }
    
    class Demo{
        public synchronized void getOne(){
            try{
                Thread.sleep(3000);
            }catch(InterruptedException e){
    
            }
    
            System.out.println("one");
        }
    
        public synchronized void getTwo(){
            System.out.println("two");
        }
    
    }
    
    /*
     * 1. 两个普通同步方法,两个线程,标准打印, 打印输出: one  two
     * 2. 新增 Thread.sleep() 给 getOne(), 打印输出: one  two
     * 3. 新增普通方法 getThree(), 打印输出: three  one  two
     * 4. 两个普通同步方法,两个Demo对象, 两个线程,打印输出: two  one
     * 5. 修改 getOne() 为静态同步方法, 一个Demo对象, 打印输出: two  one
     * 6. 修改两个方法都为静态同步方法, 一个 Demo 对象, 打印输出: one  two
     * 7. 修改 getone() 为静态同步方法, 两个 Demo 对象, 打印输出: two  one
     * 8. 两个均为静态同步方法,两个 Demo 对象,打印输出: one  two
     */
    
     // 总结:
     //    1. 非静态方法的锁默认为 this, 静态方法的锁为 "对应的Class实例";
     //    2. 在某一个时刻内,只能有一个线程持有锁,无论几个方法;

### 9. 线程池 ###

*  线程池提供了一个线程队列,队列中保存着所有等待状态的线程;
 *  避免了创建与销毁线程的额外开销,提高了响应速度;
 *  线程池的体系结构
    
     *  `java.util.concurrent.Executor`: 负责线程的使用和调度的根接口;
     *  `ExecutorService`: 子接口,线程池的主要接口;
     *  `ThreadPoolExecutor`: 线程池的实现类;
     *  `ScheduledExecutorService`: 子接口,负责线程的调度;
     *  `ScheduledThreadPoolExecutor`: 继承了线程池的实现类,实现了负责线程调度的子接口;
 *  工具类: `Executors`
    
     *  `ExecutorService newFixedThreadPool()`: 创建固定大小的线程池;
     *  `ExecutorService newCachedThreadPool()`: 缓存线程池,线程池中线程的数量不固定,可以根据需求自动更改数量;
     *  `ExecutorService newSingleThreadExecutor()`: 创建单个线程池, 线程池中只有一个线程;
     *  `ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool()`: 创建固定大小的线程,可以延时或定时的执行任务;

public class TestThreadPool{
        public static void main(String[] args){
            // 1. 创建线程池
            ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);
    
            ThreadPoolDemo tpd = new ThreadPoolDemo();
    
            // 2. 为线程池中线程分配任务
            //    submit(Callable<T> task)
            //    submit(Runnable task)
    
            for(int i=0; i<10; i++){
                pool.submit(tpd);
            }
    
            // 3. 关闭线程池
            pool.shutdown();
        }
    }
    
    class ThreadPoolDemo implements Runnable{
    
        private int i=0;
    
        public void run(){
            while(i <= 100){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : "+ i++)
            }
        }
    }

9.1 线程调度

public class TestScheduledThreadPool{
    
        public static void main(String[] args) throws Exception{
            // 1. 创建线程池
            ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
    
            // 2. 分配任务
            //      pool.shedule(Callalbe<T> callable, long delay, TimeUnit unit(时间单位))
    
            for(int i=0; i < 10; i++){
                Future<Integer> result = pool.schedule(new Callable<Integer>(){
    
                    public Integer call() throws Exception{
                            // 产生100以内的随机数
                            int num = new Random().nextInt(100);
    
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ":" + num);
    
                            return num;
                        }
                    }, 3, TimeUnit.SECONDS);
    
                    System.out.println(result.get());
            }
    
            //3. 关闭线程池
            pool.shutdown();
        }
    }

### 10 Fork/Join 框架 ###

public class TestForkJoinPool{
        public static void main(String[] args){
            ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
    
            ForkJoinTask<Long> task = new ForkJoinSumCalculate(0L, 100000000L);
    
            Long sum = pool.invoke(task);
    
            System.out.println(sum);
        }
    
    }
    
    class ForkJoinSumCalculate extends RecursiveTask<Long>{
    
        private static final long serialVersionUID = 24340990L;
    
        private long start;
        private long end;
    
        private static final long THURSHOLD = 10000L;  // 拆分临界值
    
        // 有参构造器
        public ForkJoinSumCalculate(long start, long end){
            this.start = start;
            this.end = end;
        }
    
        public Long compute(){
            long length = end - start;
    
            if(length <= THURSHOLD){
                long  sum = 0L;
    
                for(long i = start; i<=end; i++){
                    sum += i;
                }
                return sum;
            }else{
                long middle = (start + end ) / 2;
                ForkJoinSumCalculate left = new ForkJoinSumCalculate(start, middle);
                left.fork(); // 进行拆分,同时压入线程队列
    
                ForkJoinSumCalculate right = new ForkJoinSumCalculate(middle + 1, end);
                right.fork(); // 进行拆分,同时压入线程队列
    
                return left.join() + right.join();
            }
        }
    }

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